（机械制造及其自动化专业论文）烟丝原料配方立体仓库物流调度与库存控制.pdf

摘要 摘要 现代物流被认为是除降低资源消耗、提高劳动生产率以外的“第三方利润源 泉”，而仓储是现代物流的重要组成部分，高效合理的仓储可以帮助烟草制造企 业加快物资流动的速度、降低成本及保障生产的顺利进行。当前，烟草制造企业 较多地采用了烟丝原料配方立体仓库进行烟丝配方原料的储存和出入库作业，为 更好地发挥相应先进设备和技术的作用，本文对其运行过程中的物流调度和库存 控制进行了相关研究。 在对烟丝原料配方立体仓库的组成、作业流程等进行介绍、分析的基础上， 计算了某烟丝原料配方立体仓库的出入库能力，分析了其存在的问题并对其输送 系统进行了改造。改造后的烟丝原料配方立体仓库出入库作业时需要对a g v 及其 可选路径、巷道堆垛机及货位进行选择，在分析货位表示、巷道堆垛机作业形式 和服务时间的基础上，通过基本假设和参数定义，建立了烟丝原料配方立体仓库 a g v 和巷道堆垛机联合调度模型，并给出了相应的遗传算法求解方法，通过具体 实例对联合调度模型和求解方法进行了验证。 在制丝线烟丝原料需求的基础上，针对该烟丝原料配方立体仓库的具体情况 制定了相应的库存控制策略，从而建立了基于成本的库存控制模型并进行了求解， 确定了合理的订货时间、库存检查周期以及定货数量。 运用q u e s t 仿真软件对该烟丝原料配方立体仓库在上述a g v 和巷道堆垛机 联合调度及相应订货时间、定货数量策略下的运行过程进行了仿真，对a g v 、巷 道堆垛机等设备的出入库作业效率和利用率进行了分析。 关键词：自动化立体仓库；调度；库存控制；仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t e x c e p tr e d u c i n gr e s o u r c e sc o n s u m p t i o na n di m p r o v i n gl a b o rp r o d u c t i v i t y ，t h e m o d e ml o g i s t i c si sd e e m e dt o “t h i r dp r o f i th e a d s p r i n g ”，a n ds t o r a g ei sa ni m p o r t a n t c o m p o n e n to fm o d e ml o g i s t i c s 1 1 1 er a t i o n a la n de f f i c i e n ts t o r a g ec a l lh e l pt o b a c c o m a n u f a c t u r i n gc o m p a n i e se x p e d i t et h ef l o ws p e e do fm a t e r i a l s ，r e d u c et h ec o s ta n d e n s u r et h em a n u f a c t u r et og oo nw h e e l s a tp r e s e n t , t h em a j o r i t yo ft o b a c c o m a n u f a c t u r i n gc o m p a n i e sa d o p ta s r st os t o r et h et o b a c c of o r m u l al a wm a t e r i a la n dt o c a l t yt h eg o o d si n t oo ro u to ft h ew a r e h o u s e t od e v e l o pt h ef u n c t i o no fc o r r e s p o n d i n g a d v a n c e de q u i p m e n t sa n dt e c h n o l o g i e s ，t h i st h e s i se x e c u t e dr e l e v a n tr e s e a r c h e so n l o g i s t i c ss c h e d u l i n ga n di n v e n t o r yc o n t r o l l i n gd u r i n gi t so p e r a t i o np r o c e s s n e d i s c r e p a n c ya b i l i t yo fat o b a c c of o r m u l ar a wm a t e r i a la s r sw a sc a l c u l a t e d b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o na n da n a l y s i so fi t sc o m p o s i t i o na n do p e r a t i o np r o c e s s i t s e x i s t i n gp r o b l e m sa n dt h ei m p r o v e m e n to ft h ei ot r a n s p o r t a t i o ns y s t e mw a sa n a l y z e d w h e nt h et r a n s f o r m e da s r sw a so p e r a t e d ，t h eo p t i m a ls e l e c t i o no fa g va n di t s o p t i o n a lr o u t e ，l a n e s t a c k e r sa n dg o o d s l o c a t i o n sw e r en e c e s s a r y n l i st h e s i s e s t a b l i s h e dt h ec o m b i n e ds c h e d u l i n gm o d e lo fa g v sa n dl a n es t a c k e r so nt h eb a s i so f t h er e p r e s e n t a t i o no fg o o d sl o c a t i o n ，p r o c e s sa n ds e r v i c et i m e so fl a n es t a c k e r t h e s o l u t i o nm e t h o do fi m p r o v e m e n tf o rg e n e t i ca l g o r i t h m su n d e rc e r t a i nc o n s t r a i n t c o n d i t i o n sw a sa l s op r e s e n t e db a s e do ns o m eb a s i ch y p o t h e s i sa n dp a r a m e t e rd e f i n i t i o n s t h ec o m b i n e ds c h e d u l i n gm o d e la n dt h es o l u t i o nm e t h o dw e r ed e m o n s t r a t e d t h e n , t h i st h e s i sm a d ec o r r e s p o n d i n gs t r a t e g i e so fi n v e n t o r yc o n t r o l l i n ga c c o r d i n g t ot h es p e c i f i cr e q u i r e m e n to ft h et o b a c c of o r m u l ar a wm a t e r i a la s r s t h ec o a t - b a s e d i n v e n t o r yc o n t r o l l i n gm o d e lw a st h u se s t a b l i s h e da n ds o l v e di no r d o rt od e t e r m i n et h e s o u n do r d e rt i m e ，i n v e n t o r yr e v i e wc y c l ea n do r d e rq u a n t i t y a tl a s t , t h i st h e s i su s e dt h eq u e s ts o f t w a r ep a c k a g et os i m u l a t et h eo p e r a t i o n p r o c e s so ft h et o b a c c of o r m u l ar a wm a t e r i a la s r su n d e rt h ec o m b i n e ds c h e d u l i n go f a g va n dl a n es t a c k e ra n dt h ec o r r e s p o n d i n gs t r a t e g i e so fo r d e rt i m ea n do r d e rq u a n t i t y m e n t i o n e da b o v e t h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c yo fl o a d i n ga n du n l o a d i n ga sw e l la st h e u t i l i z a t i o no fa g v a n dl a n es t a c k e r sw e r ea n a l y z e d k e y w o r d s ：a s r s ；s c h e d u l i n g ；i n v e n t o r yc o n t r o l l i n g ；s i m u l a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 如刍 日 期：丝塑年型卫 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：奎翌l 导师签名：搁鼋 期：竺望幽 第1 章绪论 第1 章绪论 生产制造型企业在连续化生产过程中，仅有约5 的时间用于产品的加工和制 造，其余时间则用于存储、装卸、检测、等待及运输等，且储存等费用占生产成 本的4 0 左右【1 1 ，因此，为降低生产成本，必须在生产制造的基础上优化生产原料、 半成品及成品的存储等生产环节。 现代物流通过对采购过程、生产过程、销售过程、逆向物流的各个作业环节 进行有机整合、协调运作，从而保证将物料及时、准确、快速、安全地送达目的 地，同时最大限度地降低其在流动过程中的费用，以获得最大利润、拥有最大的 竞争力 2 1 。仓储是现代物流的一个重要组成部分，在物流系统中起着至关重要的作 用，其基本任务是通过仓库完成对物料的储存、保管和调节，高效合理的仓储可 以帮助企业加快物资流动的速度、降低成本、保障生产的顺利进行，并可以实现 对资源的有效控制和管理【3 】。 自动化立体仓库的出现是仓储技术的一个划时代的革新，它不仅彻底改变了 仓储行业劳动密集、效率低下的落后面貌，而且大大拓展了仓库的功能，使之从 单纯的保管型向综合的流通型方向发展【4 】，从而在自动化生产系统中占据着非常重 要的地位。卷烟制造企业生产自动化程度较高、物料需求量较大且流动频繁，其 仓储、分拣等环节较多地采用了自动化立体仓库，但在实际使用中存在着巷道堆 垛机或输送机运行路径过长、依靠经验估算导致库存设置不当等问题。 本章在介绍自动化立体仓库组成及分析其研究现状的基础上，结合我国烟草 行业现状、卷烟制造企业使用自动化立体仓库的特点及存在问题，确定了以某烟 丝原料配方立体仓库的物流调度和库存控制为主的研究内容，本章还对其研究意 义进行了阐述。 1 1 自动化立体仓库及其研究现状 1 1 1 自动化立体仓库 自动化立体仓库系统综合了机械、电子、自动化及计算机等多种技术，主要 由高层货架、巷道堆垛机、出入库输送系统、地面搬运车辆等硬件设备以及计算 山东大学硕十学位论文 机管理与控制系统组成1 5 1 ，其中： 高层货架是自动化立体仓库的主体和标志，通过横梁和支架组成的货位存储 物料，是自动化立体仓库中的主要存储设备和承重构筑物，货架按照排、列、层 组合而成自动化立体仓库存储系统； 巷道堆垛机适用于在高层货架的窄巷道内作业，可大大提高仓库的面积和空 间利用率，是立体仓库中最重要的运输设备，通过在立体仓库货架区的巷道内往 复运行，搬运位于巷道口的物料并放入指定货位，或相反地取出指定货位内的物 料送到巷道口，或将指定货位的物料取出并存入到另一指定货位内； 出入库输送系统可根据物料的特点采用传送带输送机、机动辊道、链传动输 送机等输送形式，主要用于将物料输送到堆垛机上下料位置和物料出入库位置。 对于具体的自动化立体仓库系统，出入库输送系统的布局及其采用的设备等变化 较多，随着物流设备技术的进步，采用自动导向小车( a u t o m a t i cg u i d e dv e h i c l e ， a g v ) 是出入库输送系统的发展趋势； 计算机管理与控制系统是自动化立体仓库的管理中心，其主要任务是对具体 仓库中的货位等基本信息进行管理，优化仓库存储效率，管理物料的在库情况并 控制仓库中的自动化设备，实现仓库中物料的自动出入库操作和存储操作。 自动化立体仓库的构成会由于应用行业和规模等的不同而有所差别，所采用 设备的规格、型号甚至会差别很大，自动化立体仓库一经建成，其存储方式、运 行控制及通讯方式改变时也需要对控制系统作相应调整。图1 1 所示为典型的自动 化立体仓库。 自动化立体仓库是工业企业生产自动化的产物，具有以下优点 6 j ：1 ) 存储量大， 占地面积小，由于立体仓库向高层、立体化方向发展，同时堆垛机的作业通道宽 度大幅度减少，因此大大提高了立体仓库的面积和空间利用率；2 ) 可迅速方便的 进行物料的入、出库作业，由于物料分别放在货架的独立货位内，彼此互不堆压， 因此在存取时互不干扰；3 ) 便于实现仓库的机械化、自动化，从而可以节约劳动 力、减轻劳动强度，提高入、出库的作业效率和仓库周转能力；4 ) 提高库存管理 的准确性和快速性，从而相对减少库存量，减少库存占有资金；5 ) 缩短交货时间， 增加操作的安全性，减少物料损坏率，提高服务质量。 - 2 第1 章绪论 货架 巷道堆垛机 图1 1 自动化立体仓库 1 1 2 自动化立体仓库研究现状 ，输送系统 往复穿梭车 自动化立体仓库具有普通仓库无法比拟的优势，国内外分别对自动化立体仓 库进行了多方面的研究，主要包括：1 ) 自动化立体仓库通讯、识别、定位及控制 等技术的研究与应用，包括射频识别技术、串口通讯技术等；2 ) 自动化立体仓库 相关设备如货架、巷道堆垛机及a g v 等的结构和运动学设计及优化，常用的优化 软件有a n s y s 、a d a m s 等；3 ) 自动化立体仓库设计、规划及仿真方法研究，主 要借助于计算机软件进行；4 ) 自动化立体仓库管理与控制系统的开发，常采用的 开发技术有j s p ( j a v as e r v e rp a g e ) 等；5 ) 自动化立体仓库存储过程优化，如拣选 路径作业优化、货位优化等；6 ) 自动化立体仓库输送系统特别是a g v 的调度与优 化；7 ) 自动化立体仓库的库存控制；8 ) 自动化立体仓库系统其他方面的研究，如 可靠性研究等。 随着自动化立体仓库应用范围越来越广，为更好地发挥相应先进设备和技术 的作用，对其运行过程中的调度和控制成为当前研究的重点和热点。 山东大学硕+ 学位论文 1 1 2 1 货位优化研究现状 货位优化用来确定所有物料的恰当存储方式，在恰当的存储方式下对物料进 行空间货位分配，是仓储管理中的重要问题。货位优化的目的是在一定设备和货 架类型特征、物料分组、货位规划等因素下使物料处于较为合理的货位状态、有 效掌握物料变化、减少巷道堆垛机行程时间、优化物料处理及空间功效，从而提 高出入库效率和节约存储成本r 7 1 。 目前，国内外对货位优化问题的研究主要集中于：1 ) 货位识别技术。货位的 虚实识别技术是实现仓储货位管理自动化的基础。目前，国外对货位优化问题的 研究主要集中在如何减少自动化立体仓库中物料出入库的延误时间问题上，即主 要研究自动化立体仓库中的货位识别技术【8 】。国内学者也对货位识别的软件法、传 感器法及射频识别技术等进行了研究 9 1 。2 ) 货位管理方法、原则及理论。如h s i e h 和t s a i 提出了面向物料清单( b i l lo f m a t e r i a l ，b o m ) 基于分类的库位分配方法【1 0 l ； 沙丽娜在对货位分配准则、货位存取准则、货位出入库准则等各种货位管理准则 分析基础上，归纳出了货位优化管理所需要考虑的主要问题，针对单元货格式自 动化立体仓库的运作，研究了立体仓库自动存取系统的库位分配方法【l l 】；郑凌莺 对各种货位优化中的原则进行了分析和比较【1 2 】；也有学者将模糊控制理论等应用 于货位优化管理研究中f 1 3 】。3 ) 货位优化算法。多数学者将货位优化问题描述为组 合多目标优化问题，分配货位时同时考虑货架稳定性和出入库操作的效率等内外 部因素，建立相应的数学模型，具体求解方法有遗传算法、仿真方法等【1 4 - 1 5 】。其 中，遗传算法应用较多，是当前研究货位优化问题的热点。4 ) 货位优化软件的开 发。目前国外的物流公司纷纷推出各自的货位优化软件，如s l o t i n f o 、e x eo p t i m i z e 、 e a s y p r o f i l e r 及f l o w t r a k 等，其各自的功能和特点有所区别。国内自主开发的货位 优化软件以海尔物流的大物流管理系统l e s ( l o g i s t i e se x e c u t i o ns y s t e m ) 为代表， 其货位优化的特点是以库存最小为出发点，能进行物料描述、储位编码，并对库 存情况进行实时监控【引。 1 1 2 2 输送系统研究现状 输送系统是存储区与出入库站台交接的关键部分，用于保证物料、托盘的顺 利出入库，大中型自动化立体仓库通常都设有出入库输送系统，目前，国内外对 自动化立体仓库输送系统的研究主要集中于：1 ) 自动化立体仓库输送系统及其设 第1 章绪论 备的选型、设计、改进等16 】；2 ) 自动化立体仓库输送系统的优化和调度【1 7 1 。 从当前自动化立体仓库输送系统的技术结构来看，输送系统设备技术、自动 控制及通讯技术己较完善，而输送系统的优化管理、调度及作业优化是一个未完 全成熟的方面【l 引，国内外学者对其研究较多，如常发亮等对输送系统中的优先级、 等待及死锁等调度问题进行了分析，并对其调度优化规则和算法进行了研刭1 9 1 。 随着近年来现代物流及相关技术的迅速发展，由自动导向车a g v 和导轨组成 的输送系统应用越来越多。a g v 是一种以电池为动力，装有非接触导向装置的无 人驾驶自动化搬运车辆，其主要特征是小车根据预先设定的程序和行驶路径，在 计算机系统的监控下自动行驶到指定地点，完成一系列作业任务，具有高效、快 捷、灵活的特点，适用于自动化立体仓库等具有重复运送模式的场合。 目前，国内外学者对a g v 输送系统进行相应研究的主要内容包括【2 0 】：1 ) a g v 系统的设计。设计a g v 系统时需要同时考虑多个问题，主要包括：a ) 导轨路径布 局。导轨路径用于连接出库站台、入库站台等固定设备，其布局通常是由定向直 线或圆弧组成的定向网络，a g v 交叉点、拾取点及卸载点作为其中的节点。导轨 路径布局对输送系统的性能有直接的影响。b ) 交通管理：碰撞或死锁的预测和避 免。a g v 由于路径冲突，当没有手动干预时就会发生碰撞或死锁，死锁还会发生 在拾取点和卸载点。发生碰撞和死锁时，系统性能会受到很大影响。目前，解决 碰撞和死锁的策略分为：不考虑碰撞和死锁；将交通区域分为几个不相重叠的控 制区域以避免碰撞和死锁；开发一定的路径选择策略以防止碰撞和死锁。c ) 拾取 点和卸载点的位置。自动化立体仓库中的拾取点和卸载点是货架和a g v 之间的转 运站，其位置影响a g v 的行驶距离和等待时间等。d ) 所需a g v 数量。a g v 的数量 与要运送的物料单元数量、a g v 运送能力及速度、输送系统和导轨路径布局、交 通策略、拾取点和卸载点的数量和位置等密切相关。2 ) a g v 系统的控制。a g v 系 统的控制是当前国内外学者研究的热点，其主要目标是在a g v 之间没有冲突发生 的情况下，尽可能快地满足运送需求( 如单位时间最大完成任务数、任务最短完 成时间或a g v 最短运行时间等) ，相关研究内容主要包括物料单元向a g v 的分配、 a g v 的路径选择及a g v 的调度，向a g v 分配任务的规则有先到先服务规则、随机 规则等，进行a g v 系统的控制研究时还要考虑空闲a g v 的停留位置等问题。研究 a g v 系统优化问题的主要方法有数学规划法、仿真法、人工智能法等，其中，数 山东大学硕十学位论文 学规划方法不适合在大规模实时控制中应用；仿真方法通过对实际的调度环境建 模，从而对a g v 控制方案的实施进行计算机模拟仿真，通过仿真对某些方案进行 测试、比较及监控，从而改变和挑选控制策略；人工智能方法把a g v 的控制过程 描述成一个在满足约束的解集搜索最优解的过程，利用知识表示技术将相关知识 包括进去，同时使用各种搜索技术力求给出满意的解【2 1 1 。3 ) a g v 的充电、技术故 障等其他技术问题。 1 1 2 3 库存控制研究现状 库存是指各种资源的储备，生产制造型企业为了保证生产均衡连续地进行， 必须储备适量的原材料、外购品等，库存量过少，可能会造成生产中断或设备能 力不能充分发挥，还可能拖延产品交货期造成更大的损失，而库存量过多，则会 增加仓库占用率，占用更多的流动资金，有些物料还会因存储时间过长而损坏或 变质，造成有形损耗。库存控制已成为企业减少成本、提高服务质量的重要方式。 国外对库存控制问题的研究可以追溯到1 9 世纪末研究银行保持多少流通现金 的问题，1 9 5 3 年t m w h i t i n 所著存贮管理的理论的出版标志着现代库存控制理 论研究的开始瞄】。随着生产的发展和技术的进步，逐步出现了物料需求计划m i 心、 制造资源计划m r p i i 和企业资源计划e r p 等管理理论。国内对库存控制研究起步较 晚，2 0 世纪7 0 年代以前基本采用传统的库存控制方法，但目前充分借鉴了国外先 进的理论思想和产品优点并在各大企业得到了应用，许多企业成功地开发了自己 的库存控制系统，国家也对一批规范性好的企业进行了e r p 的推广工作，许多科研 院校也致力于库存控制的研究。 目前，国内外对库存控制的研究主要有：1 ) 对一定环境和条件下的库存控制 模型进行研究，常用理论和方法有运筹学、排队论、遗传算法等。如o u y a n g 等人 研究了在可变提前期下有缺货的最优化库存模型，提出一个最大最小算法】； d k b h a t t a c h a r y a 在需求率与库存水平线性相关和产品发生变质的条件下研究了两 种库存问题【2 4 】：而袁祥勇、谢鸿飞结合配送中心库存控制的特点，分析现有库存 控制模型应用于配送中心的局限性，提出了配送中心库存控制的目标和库存控制 模型【2 5 1 。2 ) 库存管理信息系统的开发，用以提高仓库空间利用率及货物管理质量， 使产需有机衔接，为企业的生产调度和决策提供有效依据陶。3 ) 库存控制的仿真， 包括直接应用库存仿真软件( 如清华大学开发的i s i m 2 0 、e x c e l 结合v b a 编程的仿 第1 章绪论 真系统) 和基于扩展p e t d n 的库存控制仿真姗。 1 2 本课题的研究背景 1 2 1 我国烟草行业现状 烟草行业通常是指从事烟草种植、加工、卷烟生产、销售、贸易等经济活动 的领域。烟草及其制品作为_ 种用途单一的特殊消费品，在世界各国的经济和人 们的日常生活中都占有一定的地位，烟草行业已发展成为一个庞大的产业【2 8 】。 我国对烟草企业采用的是市场经济和计划经济相结合的管理方式，其生产组 织方式、销售等都有独特的一面 2 9 1 ：1 ) 在我国的市场经济体制下，卷烟制造企业 的年生产量由国家来调控，企业无权调整产量。企业要提高生产效益，只有通过 降低生产成本、优化产品结构、提高产品附加价值等途径实现。2 ) 卷烟厂物料类 型较多，既有特殊原材料烟叶，也有多种普通的辅料，更有成品香烟，因此需要 有多个储存仓库，同时，物料的出库、入库操作和在各仓库之间的移库操作比较 频繁，因此，仓储在卷烟厂中占有重要的地位。3 ) 卷烟厂多采用流水线的方式组 织生产，产品种类相对稳定，生产周期预测性较好，因此，生产计划较为固定。 4 ) 烟草行业和其他行业有很大不同，卷烟产品销售总量受到控制，并且指定必须 销售给烟草公司，卷烟厂仅生产制造香烟，香烟的销售主要由烟草专卖局完成， 因此，卷烟厂物料库存受随机因素影响较小，可预测性较好。 随着我国于2 0 0 1 年加入w t o ，烟草控制框架条约正式实施的日益临近， 我国整个烟草行业正面临着巨大的压力和挑战，我国加入w t o 对中国烟草带来的 巨大冲击直接表现在两方面【2 9 】：1 ) 对我国烟草专卖制度形成巨大挑战，政府对烟 草企业的保护作用被减弱；2 ) 夕f 、国烟草挤占国内市场份额，由于进口关税税率降 低、非关税贸易壁垒、特许证制度被取消等，外烟巨头必然会抢占我国烟草的国 内市场份额。 另外，受环境保护和健康意识增强的影响，国际控烟运动发展迅猛，由于国 际控烟运动，我国烟草行业将会表现出以下特点 3 0 1 ：1 ) 卷烟市场逐渐由卖方市场 向买方市场转变，而且对卷烟产品质量的要求不断提高；2 ) 世界著名烟草公司也 会把市场转向我国，国内烟草市场的竞争压力增大。 山东大学硕十学位论文 1 2 2 我国烟草行业应用自动化立体仓库现状 随着相关技术的发展，自动化立体仓库在我国发展较快，目前我国已处于自 动化仓储的推广和应用阶段。据不完全统计，截止到2 0 0 6 年底，全国自动化立体 仓库的保有量已超过5 0 0 座，2 0 0 6 年建设的自动化立体仓库在8 0 座以上，主要集 中在机械制造、汽车、烟草、食品；b n - i - 、服装生产、医药生产及流通等行业 3 1 】。 在日趋严峻的市场环境下，我国烟草行业为了降低卷烟生产和物流成本、增 强竞争能力，对现代物流越来越重视，根据自身特点较早地将自动化立体仓库应 用于仓储、分拣及配送等部门。 烟草行业中的卷烟制造业从其工业总产值、增加值、销售收入及利税总额等 项指标来看，均占整个烟草产业的8 0 以上，因此从某种意义上讲烟草工业是整 个烟草产业的核心组成【3 2 1 。 卷烟制造企业生产自动化程度较高、物料需求量较大且流动频繁，要在保证 卷烟质量的基础上减少生产成本，首先要降低仓储成本，使我国烟草行业从制造 的源头就赢得竞争的优势。近年来，随着我国主要烟草企业技术改造的完成，其 生产、物流设施得到了很大改善，卷烟企业内部保障生产供给和存储的原料、辅 料和成品等的仓储较广泛地采用了自动化立体仓库系统。 卷烟制造企业仓储部门的自动化立体仓库主要由货架、巷道堆垛机、出入库 输送系统及管理与控制系统组成，其中，货架多采用单元货格式托盘货架，其承 载能力和空间适合于存放堆码在托盘上的烟草物料，该种货架结构简单、安装简 易、费用经济，物料出入库不受先后顺序的限制，托盘装载不同物料时可立体存 放，库容率较高。原则上，每一个托盘占一个货位，可实现机械化存取作业，提 高劳动生产率，同时也便于实现计算机的管理和控, 0 t 3 3 】：巷道堆垛机多采用双伸 单货叉有轨巷道堆垛起重机，其它形式的堆垛机在国内烟草行业也都有实际应用 【3 4 】；出入库输送系统主要用于连接入库区和存储区以及存储区和出库区，不同的 企业对其要求也不尽相同，目前，出入库输送系统主要采用输送机或a g v 等输送 设备，近年来，国内许多生产厂家纷纷采用a g v 进行物料输送，实现了物流、生 产流的统一，取得了良好的经济效益与社会效益。目前，烟草行业中的a g v 数量 约占市场统计台数的5 0 左右【3 ”6 】。仓储管理与控制系统通过接口与其他业务层 第1 章绪论 或决策层系统进行数据通信，一般主要包括储位维护系统、进货系统、出货系统 及补货系统等f 3 7 1 。 国内卷烟制造设备经过长时期的发展，总体装备水平有了很大提高，部分重 点卷烟企业的装备已达到国际先进水平，企业工艺管理、产品总体质量水平与国 外差距也在逐步缩d , , t 3 引。但是，许多烟草企业在应用自动化立体仓库的过程中， 存在着物流路径过长、库存设置不当等问题，有些管理方法已有所落后或与实际 生产不相适应。因此，对仓储自动化立体仓库的物流调度及其库存控制进行研究 以充分发挥卷烟制造设备的效能，成为降低企业制造成本的重要途径。 1 3 本课题的研究意义 卷烟制造企业与生产直接有关的物料主要有四种，即配方原料( 叶片、烟梗、 薄片、膨胀烟丝) 、卷烟辅料、成品和备品备件，此外还有废弃物、废品等。烟 丝原料配方仓库是卷烟制造企业中连接采购过程和生产过程的仓储部分，烟丝配 方原料的储存在卷烟制造企业中占有重要的地位。 由于我国烟草行业面临着越来越激烈的竞争环境，根据我国烟草行业的特点， 越来越多的卷烟制造企业采用自动化立体仓库作为烟丝配方原料的存储场所，本 课题对烟丝原料配方立体仓库进行物流调度和库存控制研究具有重要的理论意义 和实际应用价值：1 ) 目前，针对自动化立体仓库的研究大都仅讨论其运行过程中 存在的a g v 调度问题或巷道堆垛机作业货位优化问题，本课题通过对a g v 和巷 道堆垛机进行联合调度研究，将a g v 的路径选择优化及调度和巷道堆垛机作业货 位的优化结合起来，可为建立合理的烟丝原料配方立体仓库物流系统运行机制提 供理论基础；2 ) 目前，针对卷烟制造企业立体仓库库存控制的专门研究还较少， 本课题建立的基于成本的库存控制策略可解决一定条件下的烟丝原料配方立体仓 库的库存控制问题；3 ) 研究烟丝原料配方立体仓库的物流调度问题，有助于指导 卷烟厂合理有效地利用原料仓库，减少物流路径，充分发挥设备的效能，更好地 保证制丝线的生产；4 ) 当烟丝原料配方立体仓库库存达到安全库存时，需要对仓 库进行及时的补货，本课题通过对库存控制进行研究，建立科学的库存控制模型， 可以改进企业现有库存控制方式，从而减少库存成本，提高整个企业的库存管理 水平。 山东大学硕十学位论文 本课题对烟丝原料配方立体仓库的研究方法也可应用于其他行业或类型的立 体仓库，对于其它类似自动化立体仓库的设计和改造也有借鉴作用。 总之，本课题的研究对于烟丝原料配方立体仓库科学运行具有重要的理论意 义，同时对于降低生产成本，推进先进技术的发展和应用，形成卷烟制造企业的 市场竞争优势，增强企业创新能力也具有一定的实用价值。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题以某卷烟厂的烟丝原料配方立体仓库为主体，对其物流调度和库存控 制问题进行研究，研究思路是分析现有烟丝原料配方立体仓库作业流程及存在问 题，对其输送系统进行改造，重点研究a g v 和巷道堆垛机联合调度模型以及库存 控制模型，并对相应模型进行分析求解，最后通过仿真对改造前后的运行情况进 行对比，本课题结构如下： 第二章首先介绍烟丝原料配方立体仓库组成及相应参数，分析烟包出库和入 库作业流程，然后对输送系统的输送能力进行计算，分析其存在问题，并对其进 行辊道式a g v 改造； 第三章研究a g v 和巷道堆垛机联合调度理论，在对货位表示、巷道堆垛机作 业、货位选择及a g v 路径选择等方面进行详细阐述的基础上，建立烟包入出库作 业时间数学模型并设计相应的遗传算法进行求解，最后进行实例验证； 第四章针对该烟丝原料配方立体仓库的具体情况确定其库存控制类型和策 略，建立基于成本的库存控制模型并进行求解，从而确定合理的订货时间、库存 检查周期以及定货数量； 第五章在介绍烟丝原料配方立体仓库系统仿真基本步骤的基础上，确立仿真 目标，运用q u e s t 仿真软件建立改造前后的烟丝原料配方立体仓库仿真模型，并 对仿真结果进行分析； 第六章进行全文总结并提出研究展望。 第2 章烟丝原料配方立体仓库及其输送系统改造 第2 章烟丝原料配方立体仓库及其输送系统改造 目前，我国卷烟制造企业较多地采用烟丝原料配方立体仓库作为烟丝原料的 储存场所，用以联结卷烟配方与卷烟制丝生产工艺。随着卷烟生产规模的不断扩 大，为在时间与空间上与制丝生产有高度的连续性、协调性及均衡性，烟丝原料 配方立体仓库的出入库能力成为衡量其是否发挥效能的重要标准。 本章在对某卷烟厂烟丝原料配方立体仓库的布局、主要作业设备及作业流程 进行介绍分析的基础上，依据相关数据对该烟丝原料配方立体仓库的烟包实托盘 入、出库能力及空托盘组入、出库能力进行计算，针对其输送系统存在的问题进 行相应的a g v 改造。 2 1 烟丝原料配方立体仓库应用背景 卷烟生产是指将原辅材料加工成卷烟的过程，现代意义上的卷烟生产大致要 经过烟叶初烤、打叶复烤、烟叶发酵、卷烟配方、卷烟制丝、烟支制卷及卷烟包 装七个大项的工艺流程，卷烟生产流程必须具备经济性、实用性、合理性及先进 性，在时间与空间上要求有高度的连续性、协调性及均衡性，只有这样，才能使 卷烟生产达到提高产品质量、降低原料消耗、增加企业生产效率及经济效益的目 的。 把各种类型、等级、风格的烟叶原料和香精香料等辅料合理搭配在一起，便 之产生最佳的品质效果，即是卷烟配方。烟丝原料配方是卷烟生产的最基本，也 是最重要的一个环节，烟包的配比、运转畅通与否，直接影响到烟丝生产的质量、 生产周期、利润及经济效益等指标。卷烟制丝工艺是卷烟生产的主要加工工艺， 它是根据烟叶原料的理化特性，按照一定的程序逐步经过多种加工工序，把烟叶 制成合格烟丝的过程【3 9 1 。 随着卷烟工业的发展，我国的卷烟生产发生了深刻的变化，主要表现在：( 1 ) 卷烟加工的对象由以把烟为原料发展为以片烟和烟梗为原料；( 2 ) 卷烟加工的产品 由单一的无嘴卷烟发展为多种规格的滤嘴卷烟，由单一的烤烟型卷烟生产发展为 既能生产烤烟型卷烟又能生产混合性卷烟；( 3 ) 卷烟加工设备更为先进，加工过程 山东大学硕士学位论文 基本实现了机械化、自动化，劳动生产率大为提高【4 0 】。 随着卷烟生产对象的变化、生产规模的不断扩大和现代制造技术的推广使用， 尤其是自动化和计算机技术的快速发展，制造业中新的生产组织方式不断产生， 卷烟生产中原来的人工取货、配包，然后运送到生产线的情况一直存在着生产效 率低、不易组织生产等弊端，而且容易出现错误，从而导致烟丝生产中出现重大 质量事故。目前卷烟制造企业采用规则化烟箱包装，在保证一定外形规则和重量 的前提下，为实现自动化物流仓库提供了必要的基础。采用自动化和计算机化控 制的立体仓库，可以大大减少人为因素的影响，节省占地面积，提高生产效率【4 l 】。 近年来，随着自动化技术和计算机技术的快速发展，我国各卷烟制造企业相 继采用烟丝原料配方立体仓库作为配方后的烟丝原料的储存场所，联结卷烟配方 与卷烟制丝生产工艺，在计算机的管理调度下，实现烟包的入库、存储、按配方 出库等功能，从而保证和促进卷烟生产。 2 2 烟丝原料配方立体仓库布局及相关设备 烟丝原料配方立体仓库的构成和分类由于应用和规模等的不同而有所差别， 所采用设备的规格、型号甚至会差别很大，某卷烟厂烟丝原料配方立体仓库为平 行布局，其简化布局如图2 1 所示，该布局属于出入库同端类型，收、发货区位于 存储区的- - t 贸f j ，具有占地面积相对较小，输送设备较少且使用率较高等优点 4 2 1 。 卷烟厂的制丝车间为了减少仓储区占地面积、缩短物料出入库循环周期，广 泛采用了单元货格式立体仓库用以存储烟丝原料，巷道堆垛机采用的是双伸单货 叉固定巷道堆垛机的形式，如图2 - 2 所示。货架分布在巷道左右两侧，且货架与巷 道平行，立体仓库的货架中所有货格具有相同的尺寸大小。巷道为单台堆垛机专 用，单台堆垛机为左右两排货架服务。出入库台是烟包出入库时的缓冲站台，每 次仅能停留一个烟包。 输送系统由辊道式输送机、链式输送机、升降输送机及往复穿梭车组成，用 于将入库的烟包运送到入库台以及将出库台上的烟包运送到制丝线处，其中，辊 道式输送机采用辊道面输送物料，主要用于垂直于链机方向的托盘输送，如图2 3 所示；链式输送机如图2 - 4 所示；升降输送机在出入库输送系统中用于实现物料从 链式输送机到辊道输送机的9 0 。转弯输送，如图2 5 所示；往复穿梭车用于将物料 第2 章烟丝原料配方立体仓库及其输送系统改造 从一个指定位置送到另一指定位置，如图2 6 所示。 图2 1 某卷烟厂烟丝原料配方立体仓库的简化布局 图2 2 双伸单货叉巷道堆垛机图2 3 辊道式输送机图2 4 链式输送机 一 图2 5 升降输送机图2 6 往复式穿梭车 一1 3 山东人。学硕士学位论文 2 3 烟丝原料配方立体仓库作业流程 该卷烟厂烟丝原料配方立体仓库存放的物料为烟包实托盘和空托盘组，其中， 烟包采用木质四向进叉式托盘承载，每个托盘装载一个烟包组成烟包实托盘，如 图2 7 所示，空托盘按六个一组堆码成空托盘组，如图2 8 所示。 图2 7 烟包实托盘图2 - 8 空托盘组 该烟丝原料配方立体仓库的详细作业流程如图2 - 9 所示。 图2 - 9 烟丝原料配方立体仓库作业流程图 第2 章烟丝原料配方立体仓库及其输送系统改造 由图2 - 9 可知，该烟丝原料配方立体仓库的作业内容主要包括烟包实托盘入 库、烟包实托盘出库、入库区的空托盘组供应及空托盘回收【4 3 】： ( 1 ) 烟包实托盘入库 配方库入库区设置了烟包码放站台和用于整理不合格托盘及退库和抽检的出 口，烟包运送至配方库后，由工人用叉车将烟包运送到配方库烟包码放站台与拆 分待用的空托盘组成烟包实托盘，烟包实托盘入库后，空托盘拆分机将向两个烟 包码放站台分发单个托盘。 烟包实托盘具体入库过程为：入库区工作人员用叉车从货车上卸下烟包，根 据来料情况输入烟叶信息。放到托盘上的烟包经外形检测，合格的烟包实托盘由 条码识别器读取烟包条码信息，根据计算机控制系统分配的存储货位，由输送机、 往复穿梭车将该烟包实托盘输送到相应的巷道堆垛机入库站台，再由巷道堆垛机 将其存放到指定的货格内，完成入库作业。对于外形检测不合格的烟包实托盘， 则由穿梭车传送至相应工位由人工整理，处理后的合格实托盘重新入库。 ( 2 ) 烟包实托盘出库 烟包实托盘出库时，巷道堆垛机根据指定的烟包出库指令从立体货架上将相 应的烟包实托盘送到巷道堆垛机出库站台，再由往复穿梭车将其送至相应制丝线 入口站台，并进行条码检查，由于条码脱落或其他原因而不能读出的烟包实托盘 由往复穿梭车送至靠近操作人员终端处，通过操作人员终端查询物料信息，并选 择是将该实托盘送往制丝线入口，还是送入条码整理站台。如果条码识别出来， 但与计划任务中下达的信息不符，则由穿梭车直接将实托盘送往条码整理站台， 整理完成后重新入库。送到制丝线入口站台的烟包实托盘自动输送到烟包与托盘 分离处，由夹抱机进行烟包与托盘的分离，分离后的烟包经缓存工位进入制丝线， 空托盘则码垛成空托盘组。 ( 3 ) 空托盘组出库 当空托盘拆分机和空托盘预存位输送机上没有空托盘时，控制系统将发出指 令从货架中调出空托盘组，经出库站台、穿梭车到空托盘预存位输送机处。空托 盘预存位输送机上的空托盘组将随时补充到空托盘拆分机。同时，空托盘码垛机 处准备入库的空托盘组和立体货架中储存的空托盘组，将通过穿梭车等设备将托 盘传送到空托盘预存位输送机上备用。 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 空托盘回收 烟包实托盘入库过程中，优先使用出库烟包实托盘分离后产生的空托盘组， 因该空托盘组不能满足入库作业的需要，故其余部分还需直接由堆垛机从库中调 出，经输送系统送到入库区。所有分离出的空托盘传到托盘堆叠机进行堆叠后， 经穿梭车送到堆垛机入库站台入库或经穿梭车送至空托盘预存位输送机暂存，供 托盘拆分机拆分，入库使用。烟包实托盘分离后产生的空托盘码垛成空托盘组后， 在非入库时段，由穿梭车将其送到入库区空托盘组缓存站台，经入库输送系统送 回库中存储，在入库时段，空托盘组先在输送机上进行缓存，再进入缓存站台。 2 4 烟丝原料配方立体仓库输送系统分析 卷烟厂卷烟制造设备先进，客观上要求原辅材料供应准确无误、及时流畅， 否则不能充分发挥设备的效能或容易造成制造过程中出现积压、不合格产品率上 升等问题。卷烟制丝线采用的是大批量流水线的生产模式，如果烟丝原料的控制 不力，容易造成整批烟丝的质量下降，如果因为烟丝在生产供应上的不及时，造 成停机，会使设备有效作业率下降，同时消耗增加，如果出现烟丝供应错误，则 更是生产事故。卷烟制造企业的生产特征对现代物流提出了更高的要求，可以说， 这样的要求得不到满足，则卷烟制造企业的生产制造水平难以进一步提高。 烟丝原料配方立体仓库作为卷烟厂